1、引言随着社會经济的繁荣，周休二日的实施，人們的生活方式有了重大的改变。加上人口日趋高龄化，随之而起的健康养生意识逐渐受到大家重视。运动成為生活的一部份，因此终身运动成為全民所关心的重大议题 。终身运动的提出必然带动体质测量仪的发展。肺活量测量仪是体质测量仪中的一部分，当然也不例外。肺活量在一定意义上反映了呼吸机能的潜在能力。测量肺活量，可判断健康人呼吸机能的强弱、某些呼吸机能减低的性质和程度以及疾病恢复后的劳动能力。肺活量测量仪中普遍使用气体压力传感器来进行测量。无论从精度还是从可靠性方面，气体压力传感器做得都比较好。利用气体压力传感器检测即迅速，方便，计算简单，又易于做到实时控制，并且在测量
2、精度方面能达到相应的要求。用气体压力传感器测量肺活量具有下述突出的优点:气压传感器体积小，精度高，受外界干扰影响较小；价格较低，降低了整机的成本。目前国内一般使用气体压力传感器来设计肺活量测量仪,同时也有通过气体流量传感器来实现肺活量测量仪的设计。但是气体流量传感器成本较高。本文中所讨论的肺活量测量仪由于使用了价格较低的 ATP015G 气体压力传感器及单片机,并且可通过RS232 与上位机进行通信，将所测得的数据直接传送至上位机。实现液晶显示、语音播报、并由上位机进行处理等功能。具有价格低、直观、使用方便的特点。因此具有广泛的发展前景。1 绪论1.1 本课题的研究意义肺活量测量仪在医疗部门以
3、及学校等地方应用广泛，实现智能化、高精度、便携化是肺活量测量仪现在的发展方向。随着单片机、微电子、传感器、总线接口等高新技术的迅速发展，肺活量测量仪的研制有了长足的进步，以适应越来越高的应用要求。目前，市场上的肺活量测量仪功能各有所长，价格差异也较大。从价格和功能上比较，国内和国外产品存在较大的差异:国外的肺活量测量仪，功能较全，精度较高，但价格比较昂贵；而国内产品其功能和精度相对较低，但价格自然相对便宜。1.2 本课题的发展现状根据肺活量测量仪的结构分为：电子肺活量测量仪和非电子简易肺活量测量仪两大类。1.2.1 电子类肺活量测量仪主要通过气压传感器或者气体流量传感器来对肺活量进行测量。随着
4、全民健身计划的提出以及学生体质健康标准试行方案的出台，市场上对肺活量计产品的需求量越来越大.然而中国的体质检测仪器与国外相比还比较落后，如肺活量计还沿用三十年前的机械式产品。市场上急需一种可以替代现有产品的便携式电子肺活量计。1.2.2 非电子类肺活量测量仪不通过传感器以及其他电子元器件，而是由一些生活中容易取得的材料例如带盖儿透明塑料桶（如装金龙鱼食用油的塑料桶，5 升；或鲜橙多塑料瓶，2 升） ，60 80 长的乳胶管，玻璃管等材料制作简易的肺活量测量仪。其原理为：肺活量是指一次深吸气后的最大呼出的气体容积。由于人体呼出的气体密度比水轻，在水中会上升，所以可以用“排水法 ”制作简易肺活量计
5、。在塑料桶中装满水后倒过来放在水中，通过导管向桶内吹气，利用气体上升把桶底的水排出、水受重力自动向下流而水面下降的原理，可以进行肺活量测量。人体吹出气体的体积，就是桶内被排出的水所占的体积，即桶内被排空部分的容积。虽然比成百上千元精密的肺活量仪便宜且容易实现，但其缺点是不够精确不够智能化，无法实现显示以及语音播报等功能。1.3 本课题的发展趋势目前肺活量测量仪的种类并不是很多，所以客户的选择相应也不多。在传感器、微电子等高新技术的支持下，肺活量测量仪向着智能化、高精度、能与电脑通信等方面发展。1.4 智能肺活量测量仪研究目的及其可行性当前的电子肺活量测量仪虽有液晶显示以及语音播报功能，有足够的
6、精度，但在人工读取并记录数据时效率并不高。而非电子类肺活量测量仪，在人工记录测量结果时存在误差，且无法实现与上位机的通信以及显示和语音播报等功能。智能肺活量测量仪除了可以实现液晶显示和语音播报等功能外，还可与上位机进行通信，提高了效率，更加适合在学校中应用。1.5 课题的主要研究工作和各章内容安排本课题主要研究肺活量测量并与上位机通信的问题，由于关键问题在通信上，所以必须对单片机与上位机间的通信有一定的研究，以及如何实现，实际上整个课题的难点就在于单片机与上位机间的通信上。各章内容安排：第一二章两章主要是基础理论知识的介绍。主要有本课题的研究意义、肺活量的相关理论知识以及简要的分析了一下所用到
7、芯片相关理论知识；第三章主要从总体方面分析系统的设计以及用到的相关原理；第四章是本次系统设计的硬件电路设计部分，详细分析了每一模块的原理、功能、相关原理图以及元件和参数的选择；第五章系统的软件部分设计，分模块介绍显示功能的软件编程；第六章主要讲述了误差的分析情况；最后是主要是总结和参考的文献。2 相关技术和基础理论介绍2.1 肺活量测量相关概述2.1.1 肺活量肺活量是指一次尽力吸气后，再尽力呼出的气体总量。肺活量是一次呼吸的最大通气量，在一定意义上可反映呼吸机能的潜在能力。成年男子肺活量约为 3500 毫升，女子约为 2500 毫升。壮年人的肺活量最大，幼年和老年人较小。健康状况愈好的人肺活
8、量愈大，肺组织损害如肺结核、肺纤维化、肺不张或肺叶切除达一定程度时都可能使肺活量减小；脊柱后凸，胸膜增厚，渗出性胸膜炎或气胸等，也可使肺扩张受限，肺活量减小。因此，肺活量明显减小是限制性通气障碍的表现。由于肺活量的测定方法简单，重复性较好，故是健康检查常用的指标。测定肺活量因不限呼气的速度，而测不出呼吸道通气不畅的疾病，因此采用时间肺活量测定法，作为肺功能的动态指标较为理想。时间肺活量就是最大吸气后用力作最快速度呼气，直至呼完为止。同时分别记录第 1、 2、3 秒末呼出的气量。正常人应分别呼出其肺活量的 83%、96%和99%。患肺阻塞性肺部疾病者往往需要 56 秒或更多时间才能呼出全部肺活量
9、；呼吸运动受限的许多病理状态下，第 1 秒时间肺活量增加，并可提前呼完全部肺活量。所以，时间肺活量可作为鉴别阻塞性或限制性通气障碍的参考。2.1.2 气压传感器气压是作用在单位面积上的大气压力，即等于单位面积上向上延伸到大气上界的垂直空气柱的重量。气象上使用的所有气压表的刻度均应以 hPa 分度。在标准条件下，760mmHg 的气压等于 1032.25hPa。压阻式气压传感器的原理是大气压作用于覆盖有抽空的小盒的敏感元件上，通过它电阻受到压缩或拉伸应力的作用，由于压电效应，电阻值的变化与气压成正比。2.2 通过气压传感器测量肺活量的原理将气压传感器置于已知截面积的细管中，在被测量者向管中吹气时
10、，便可通过各时刻的气压与流速的关系得出相应的气流速，再结合测量时间计算得出气体总流量。测量的原理框图如下：气体压力 气体流速 气体流量图 2.12.3 数据采集计算机内部能识别的是二进制的数字信号，因此输入计算机的信号必须转换为离散的数字信号，即将连续的模拟信号转换为离散的数字信号。模拟的非电量（电流、电压）必须先通过传感器，把非电量的模拟信号，如湿度、温度、压力、流量等模拟量转换为电信号。2.3.1 A/D 转换器微型计算机只能对以二进制形式表示的信息进行运算和处理，运算和处理的结果也只能是这种数字量。但在各种自动测量、采集和控制系统中遇到的变量，时间上和幅度上大多是连续变化的物理量，即模拟
11、量。比如用计算机对导弹、卫星的飞行过程进行监视和控制时，被监控对象大都是电压、电流、角度、速度、位移、温度等模拟量。这些模拟量并不能直接被计算机所认识和接收，必须先把它们变成计算机能认识的二进制数字量，这个过程叫做模拟数字转换，完成这种转换的装置则被称为模数转换器（Analog to Digital Converter） ，简称为 A/D 转换器或 ADC。由于 A/D 转换是将数字计算机应用于生产过程、科学实验和军事系统以实现更有效的自动控制的必不可少的环节，因此如何实现 A/D 转换器与计算机的接口也就成为计算机控制系统设计中的一项十分重要的工作。A/D 转换器是指将模拟电压信号进行量化、
12、编码，转换为 位二进制数字量信号的电路。根据 A/D 转换原理和特点的不同，可将 ADC 分成两大类：直接 ADC 和间接 ADC。直接 ADC 是将模拟电压直接转换成数字代码，比如有逐次逼近式 ADC、计数式 ADC、并行转换式 ADC 等；间接 ADC 是将模拟电压先变成中间变量，如脉冲周期、脉冲频率、脉冲宽度等，再将中间变量变成数字代码，常用的有单积分式 ADC、双积分式 ADC 等。2.3.2 A/D 转换的基 本原理连续的模拟信号转换为离散的数字信号必须经历的四个过程：采样保持量化编码。前两步在采样保持电路中完成，后两步在 ADC 电路中实现。(1)采样过程采样就是周期性地读出或者测
13、量一种连续信号。测量的周期称为采样周期 Ts，采样周期的倒数称为采样频率 fs=1/Ts，Ts 称为采样时间。(2)保持过程采样输出的信号在采样时间内是连续的模拟量，其幅度值为连续的，为使采样过后的信号的幅度变为有限值，同时采样到某一时刻的信号值，因此引入保持过程，即在保持状态下电路的输出保持着前一次采样结束时刻的瞬时输入模拟信号，直至进入下一次采样状态为止。采样定理：为使采样输出信号 fs(t)能完全恢复连续信号 f (t)，包含任何干扰在内的信号 f (t)的最高有效频率 奈奎斯特频率 fH 必须小于采样频率 fs 的一半；或者说采样频率 fs 至少是信号频率 f H的两倍。用如下公式表示
14、：式 2.1采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠(alias)。出现的混频偏差(alias frequency)是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。(3)量化过程因为二进制代码的位数是有限的，只能代表有限个信号电平，故在编码成计算机能识别的二进制之前，必须对采样信号进行量化，即把采样信号的幅值与某个最小单位的一系列整倍数比较，以最接近于采样信号幅值的最小数量单位倍数来代替该幅值，这一过程称为“量化过程” 。(4)编码过程模/数转化的最后阶段是编码，就是把量化信号的电平用数字代码来表示，编码有多种形式，最常用的是二进制编码，即用 1 和 0
15、 所组成的 n 位数码来代表量化电平。数码的最左边的位叫做最高有效位，简称最高位，用符号 MSB（Most Significant Bit）表示；数码的最右边的位叫做最低有效位，简称最低位，用符号 LSB（Least Significant Bit ）表示。编码因为实际问题的模拟电平极性不同有两种方式，即单极性编码和双极性编码。二进制分数码是一种单极性编码，这种编码的原理如下：一个十进制数 D 的量化电平可以表示如下式所示： nni aa2.211式 2.2ai或为 0，或为 1，所以 D 的值就是所有非 0 位的值与它的权值积的累加和，因此 D 的值是一个小数。一个模拟信号采样转换的结果可以
16、表示如下式所示：式 2.3式中，U0 是 A/D 转换器模拟输出电压，FSR 是满量程，n 为量化器的位数。2.4 串口通信2.4.1 串口通信简介在计算机系统中，CPU与外部通信的基本通信方式有两种：并行通信，数据的各位同时传送；串行通信，数据一位一位顺序传送。在并行通信中，数据有多少位就需要多少条传送线。而串行通信只需要一对传送线，故串行通信能节省传送线，特别是当数据位数很多和远距离数据传送时，这一优点更加突出。串行通信方式之所以被广泛应用的其它特点还包括：相对于并行通信方式它需要的设备简单；串行通信有大量标准化的技术准则可以遵守；其通信的距离比并行方式远的多；而且可以利用电话线通信，成本
17、低的多。串行通信方式的主要缺点是传送速度比并行通信要慢，这因为串行通信是一位位传送的，而并行则是所有并行数据位同时传送的。串行接口的主要功能是接收来自CPU的数据，并转换为串行数据格式发送出去。或者将接收到的串行数据，送交CPU。与系统连接的数据总线不但用于传送数据，而且接收系统的控制字和向系统发送串行接口的 状态。系统送到串行接口的控制字包括发送和接收串行数据的波特率、二进制位串行数据格式等。系统读取状态字包括发送空、接收完，以便控制发送和接收过程。发送数据时，CPU将数据送入发送缓冲寄存器。由控制器按照CPU设定的格式将数据转换成串行数据，加上起始位、奇偶校验位和停止位。转换后并格式化的二
18、进制位串被送入发送移位寄存器，按照选定的波特率发送输出。接收数据的过程正好相反，控制器按照设定的波特率接收串行串位数据并进行奇偶校验，去掉串行格式中的附加信息，将数据送入接收缓冲器，无论发送和接收，线路的状态寄存器始终保持着接口的各种状态。通过查询状态寄存器，就可以了解和控制发送和接收过程。此外，串行接口还包括一个有效的中断系统。串行通信分为同步通信和异步通信。在异步通信中，数据通常是以字符(或字节)为单位组成字符帧传送的。字符帧由发送端一帧一帧地发送，通过传输线为接收设备一帧一帧地接收。发送端和接收端可以有各的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟源彼此独立，互不同步。在异步通信中，接收端是
19、依靠字符帧格式来判断发送端是何时开始发送及何时结束发送。平时，发送线为高电平(逻辑“1”)，每当接收端检测到传输线上发送过来的低电平逻辑“0”(字符帧中起始位)时，就知道发送端已开始发送，每当接收端接收到字符帧中的停止位时，就知道一帧字符信息已发送完毕。一个字符帧包括：起始位：位于字符帧开头，只占一位，始终为逻辑0低电平，用于向接收设备表示发送端开始发送一帧信息；数据位：紧跟起始位之后，用户根据情况可取5位、6位、7位或8位，低位在前高位在后。若所传数据为ASC字符，则常取7位；奇偶校验位：位于数据位后，仅占一位，用来表征串行通信中采用奇校验还是偶校验，由用户根据需要决定；停止位：位于字符帧末
20、尾，为逻辑“1”高电平，通常可取 1 位、15 位或 2 位，用于向接收端表示一帧字符信息已发送完毕，也为发送下一帧字符做准备。串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有几种。但都是在 RS-232 标准的基础上经过改进而形成的。所以，以 RS-232C 为主来讨论。RS- 323C 标准是美国 EIA(电子工业联合会）与 BELL 等公司一起开发的 1969 年公布的通信协议。它适合于数据传输速率在 020000b/s 范围内的 通信。这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电器特性都作了明确规定。由于通行设备厂商都生产与 RS-232C 制式兼容的通信设备，因此，它 作为一种标准，
21、目前已在微机通信接口中广泛采用。2.4.2 RS232 通信在讨论 RS-232C 接口标准的内容之前，先说明两点：首先，RS-232-C 标准最初是远程通信连接数据终端设备 DTE(Data Terminal Equipment)与数据通信设备 DCE（Data Communication Equipment)而制定的。因此这个标准的制定，并未考虑计算机系统的应用要求。但目前它又广泛地被借来用于计算机（更准确的说，是计算机接口）与终 端或外设之间的近端连接标准。显然，这个标准的有些规定及和计算机系统是不一致的，甚至是相矛盾的。有了对这种背景的了解，我们对 RS-232C 标准与计 算机不兼容
22、的地方就不难理解了。其次，RS-232C 标准中所提到的“发送”和“接收” ，都是站在 DTE 立场上，而不是站在 DCE 的立场来定义的。由于在计算机系统中，往往是 CPU 和 I/O 设备之间传送信息，两者都是 DTE，因此双方都能发送和接收。RS-232C 标准（协议）的全称是 EIA-RS-232C 标准，其中 EIA(Electronic Industry Association)代表美国电子工业协会，RS（ecommeded standard）代表推荐标准，232 是标识号，C 代表 RS232 的最新一次修改（1969） ，在这之前，有RS232B、RS232A。 。它规定连接
23、电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。常用物理标准还有有 EIARS-232-C、EIARS-422-A、 EIARS-423A、EIARS-485。这里只介绍 EIARS-232-C（简称 232， RS232） 。 （1）RS232 电气特性 EIA-RS-232C 对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。TXD 和 RXD 上：逻辑 1(MARK)=-3V-15V 逻辑 0(SPACE)=+315V 在 RTS、CTS、DSR、DTR 和 DCD 等控制线上： 信号有效（接通，ON 状态，正电压）+3V+15V 信号无效（断开，OFF 状态，负电压)=-3V-15V （2）连
24、接器的机械特性：连接器：由于 RS-232C 并未定义连接器的物理特性，因此，出现了 DB-25、DB-15和 DB-9 各种类型的连接器，其引脚的定义也各不相同。下面分别介绍两种连接器。 DB-25：PC 和 XT 机采用 DB-25 型连接器。DB-25 连接器定义了 25 根信号线，分为 4 组：1.异步通信的 9 个电压信号（含信号地 SG）2，3，4，5，6，7，8，20，22 2.20mA 电流环信号 9 个（12，13，14，15，16，17，19, 23，24） 3.空 6 个（9，10，11，18，21，25） 4.保护地 （PE）1 个，作为设备接地端（1 脚） 5DB-2
25、5 型连 接器的外形及信号线分配如图 2.2 所示。注 意，20mA 电流环信号仅IBM PC 和 IBM PC/XT 机提供，至 AT 机及以后，已不支持。图 2.2DB-9 连接器 在 AT 机及以后，不支持 20mA 电流环接口，使用 DB-9 连接器，作为提供多功能I/O 卡或主板上 COM1 和 COM2 两个串行接口的连接器。它只 提供异步通信的 9 个信号。DB-25 型连接器的引脚分配与 DB-25 型引脚信号完全不同。因此，若与配接 DB-25 型连接器的 DCE 设备连接，必须使用专 门的电缆线。电缆长度：在通信速率低于 20kb/s 时，RS-232C 所直接连接的最大物
26、理距离为15m（50 英尺） 。最大直接传输距离说明：RS-232C 标准规定，若不使用 MODEM，在码元畸变小于 4%的情况下，DTE 和 DCE 之间最大传输距离为 15m （ 50 英尺） 。可见这个最大的距离是在码元畸变小于 4%的前提下给出的。为了保证码元畸变小于 4%的要求，接口标准在电气特性中规定，驱动器的负载电容应 小于 2500pF。（3）RS-232C 的接口信号RS-232C 规标准接口有 25 条线，4 条数据线、11 条控制线、3 条定时线、7 条备用和未定义线，常用的只有 9 根，它们是 联络控制信号线：数据装置准备好（Data set ready-DSR)有效时
27、（ON）状态，表明 MODEM 处于可以使用的状态。数据终端准备好(Data set ready-DTR)有效时（ON）状态，表明数据终端可以使用。这两个信号有时连到电源上，一上电就立即有效。这两个设备状态信号有效，只表示设备本身可用，并不说明通信链路可以开始进行通信了，能否开始进行通信要由下面的控制信号决定。请求发送(Request to send-RTS)用来表示 DTE 请求 DCE 发送数据，即当终端要发送数据时，使该信号有效（ON 状态） ，向 MODEM 请求发送。它用来控制 MODEM 是否要进入发送状态。 允许发送（Clear to send-CTS）用来表示 DCE 准备好接
28、收 DTE 发来的数据，是对请求发送信号 RTS 的响应信号。当 MODEM 已准备好接收终端传来的数据，并向前 发送时，使该信号有效，通知终端开始沿发送数据线 TxD 发送数据。这对 RTS/CTS 请求应答联络信号是用于半双工 MODEM 系统中发送方式和接收方式之间的切换。在全双工系统中作发送方式和接收方式之间的切换。在全双工系统中，因配置双向信道，故不需要 RTS/CTS 联络信号，使其变高。接收线信号检出(Received Line detection-RLSD)用来表示 DCE 已接通通信链路，告知 DTE 准备接收数据。当本地的 MODEM 收到由通信链路另一端（远地）的 MOD
29、EM 送来的载波信号时，使 RLSD 信号有效，通知终端准备接收，并且由 MODEM 将接收下来的载波信号解调成数字两数据后，沿接收数据线 RxD 送到 终端。此线也叫做数据载波检出(Data Carrier dectection-DCD）线。 振铃指示(Ringing-RI)当 MODEM 收到交换台送来的振铃呼叫信号时，使该信号有效（ON 状态） ，通知终端，已被呼叫。 数据发送与接收线： 发送数据(Transmitted data-TxD)通过 TxD 终端将串行数据发送到MODEM，(DTEDCE)。 接收数据(Received data-RxD)通过 RxD 线终端接收从 MODEM
30、 发来的串行数据，(DCEDTE)。 地线 有两根线 SG、PG信号地和保护地信号线，无方向。上述控制信号线何时有效，何时无效的顺序表示了接口信号的传送过程。例如，只有当 DSR 和 DTR 都处于有效（ON）状态时，才能在 DTE 和 DCE 之间进 行传送操作。若 DTE 要发送数据，则预先将 DTR 线置成有效(ON)状态，等 CTS 线上收到有效(ON)状态的回答后，才能在 TXD 线上发送串行数据。这 种顺序的规定对半双工的通信线路特别有用，因为半双工的通信才能确定 DCE 已由接收方向改为发送方向，这时线路才能开始发送。 2.5 主要器件功能说明本课题中所用的到主要器件有，89S52 单片机， MAX232 串口通信芯片，AD620，气体压力传感器 ATP015G。2.5.1 AT89S52 单片机AT89S52 是美国 ATMEL 公司生产的低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含4K bytes 的可遍程的 Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 8051 指令系统引脚。它集 Flash 程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用 8 位微处理器于单片芯片中，ATMEL 公司的功能强大，低价位 AT89S51 单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
